一种基于NaClO消毒机理的清水池CFD仿真的建立方法及其应用

本发明属于水处理，具体涉及一种基于naclo消毒机理的清水池cfd仿真的建立方法及其应用。

背景技术：

1、次氯酸钠消毒剂是一种广泛使用的消毒产品，其主要成分是次氯酸钠(naclo)，具有强氧化性，能够有效杀灭细菌和病毒。次氯酸钠在水中水解生成次氯酸(hclo)，具有强氧化性，可以破坏病原体的细胞结构，从而达到消毒的目的。次氯酸钠消毒剂适用于水处理、医疗卫生、家庭和办公室消毒等多种场合。使用前需要根据消毒对象和需求进行适当的稀释。例如，环境消毒常用有效氯含量0.05％的溶液，餐具消毒常用0.025％的溶液。次氯酸钠的消毒效果受溶液ph值的影响，较低的ph值有利于提高消毒效率。次氯酸钠投加准确，与水的亲和力好，能与水任意比互溶，解决了气体消毒剂难溶于水的技术困难。与常规液氯消毒相比，次氯酸钠消毒的安全性更高，没有氯气泄漏的风险，对操作人员和环境更为安全。近年来，在智能化设备越来越成熟的现在，对于次氯酸钠消毒剂的智能化使用控制变得越来越安全便捷。

2、comsolmultiphysics商业cfd仿真软件以其强大的多物理场耦合仿真技术而被广泛应用。将cfd仿真技术与naclo消毒机理耦合，通过数值模拟可以获得清水池内有效氯浓度的分布云图。cfd仿真模拟技术能够为自来水厂的工艺设计和优化提供低成本且高效的方法。naclo消毒机理的清水池cfd仿真模拟技术主要是从解决有效氯浓度和naclo药耗问题入手。通过cfd数值模拟结果，模型可以获清水池内液相流速和有效氯浓度的分布云图。通过分析模拟结果云图，cfd仿真模拟技术对于清水池的内部结构改良的提升、有效氯浓度与naclo药耗之间的有效控制具有重要的指导意义。

技术实现思路

1、为了解决目前自来水厂中清水池氯消毒难以控制的问题，本发明提供了一种基于naclo消毒机理的清水池cfd仿真的建立方法，包括以下步骤：

2、s1：根据实际运行的某自来水厂的清水池设计施工图，对清水池进行几何结构数据分析；

3、s2：采用comsol multiphycis专业cfd软件建立清水池的几何结构模型；

4、s3：采用单相湍流k-ε数学模型模拟清水池的流态，并设置单相湍流k-ε数学模型下的特征参数；

5、s4：采用稀物质传递物理场搭建naclo消毒反应机理模型，并设置其相应的特征参数；

6、s5：对所建立的清水池模型进行网格划分；

7、s6：模拟计算清水池模型，并对结果进行后处理。

8、一种基于naclo消毒机理的清水池cfd仿真的建立方法的应用：

9、优选地，清水池的几何结构数据由某自来水厂的水处理工艺设计施工图提供，通过分析设计施工图纸对清水池进行几何结构数据分析，将清水池相关的几何结构参数提取出来并形成数据文本文档。

10、优选地，采用comsol multiphycis专业cfd软件建立清水池的几何模型，将权利要求2中形成的数据文本文档导入该模型中，从而建立清水池的几何模型。

11、优选地，采用单相湍流k-ε数学模型模拟清水池的流态方程，额外附加两个与湍动能k和湍流耗散率ε有关的方程：

12、

13、其中，ρ为密度，kg/m3；u为速度矢量，m/s；p为压力，pa；k是粘性应力张量，pa；f为附加的体积力矢量，n/m3；t是绝对温度，k；μt为湍流黏度，pa·s；pk是由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项，cε1、cε2为经验常数，σk、σε分别是与湍动能k和耗散率ε对应的普朗特数；

14、单相湍流k-ε模型下包括：流体属性包含压力、温度、流体密度及其动力黏度；边界条件包括清水池入口、出口和壁面。

15、优选地，通过添加物理场选择化学物质传递下的稀物质传递模块，从而开始建立清水池内的nac lo消毒过程，稀物质传递模块的有关方程为：

16、

17、其中，ri为传质速率或反应速率，mo l/m3﹒s；ci为组分物质的摩尔体积浓度，mo l/m3；u为质量平均速度矢量，m/s；ji为组分物质的扩散通量矢量，mo l/m3·s；di为组分物质的扩散系数，m2/s；k为清水池的表观反应速率常数，s-1；c0为氯离子的初始摩尔体积浓度，mo l/m3；x为有效氯浓度，mo l/m3；

18、稀物质传递模块包括：传递属性包含对流项、扩散项以及湍流混合；初始值包含反应初始计算的值；反应包含反应速率方程，入口和出口分别定义清水池的入口和出口。

19、优选地，网格序列采用物理场控制网格，网格大小采用极粗化，网格贡献来自于单相湍流k-ε模型和稀物质传递模型。

20、优选地，模拟计算清水池模型是在稳态条件下进行模拟计算的，通过两步计算的方法计算清水池的液相的流场和物系的浓度场，其中第一步计算只求解单相湍流k-ε模型，第二部计算求解稀物质传递模型，但在求解因变量值中以第一步计算的解作为第二步的研究计算的方法。

21、优选地，对模拟结果进行后处理，在结果模块中添加可视化三维绘图组，在三维绘图组之下添加二维截面，分别定义清水池的液相流场和有效氯浓度场界面信息，从而生成液相流速分布云图和有效氯浓度分布云图。

技术特征：

1.一种基于naclo消毒机理的清水池cfd仿真的建立方法及其应用，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于naclo消毒机理的清水池cfd仿真的建立方法的应用，其特征在于：清水池的几何结构数据由某自来水厂的水处理工艺设计施工图提供，通过分析设计施工图纸对清水池进行几何结构数据分析，将清水池相关的几何结构参数提取出来并形成数据文本文档。

3.根据权利要求1所述的一种基于naclo消毒机理的清水池cfd仿真的建立方法的应用，其特征在于：采用comsol multiphycis专业cfd软件建立清水池的几何模型，将权利要求2中形成的数据文本文档导入该模型中，从而建立清水池的几何模型。

4.根据权利要求1所述的一种基于naclo消毒机理的清水池cfd仿真的建立方法的应用，其特征在于：采用单相湍流k-ε数学模型模拟清水池的流态方程，额外附加两个与湍动能k和湍流耗散率ε有关的方程：

5.根据权利要求1所述的一种基于naclo消毒机理的清水池cfd仿真的建立方法的应用，其特征在于：通过添加物理场选择化学物质传递下的稀物质传递模块，从而开始建立清水池内的naclo消毒过程，稀物质传递模块的有关方程为：

6.根据权利要求1所述的一种基于naclo消毒机理的清水池cfd仿真的建立方法的应用，其特征在于：网格序列采用物理场控制网格，网格大小采用极粗化，网格贡献来自于单相湍流k-ε模型和稀物质传递模型。

7.根据权利要求1所述的一种基于naclo消毒机理的清水池cfd仿真的建立方法的应用，其特征在于：模拟计算清水池模型是在稳态条件下进行模拟计算的，通过两步计算的方法计算清水池的液相的流场和物系的浓度场，其中第一步计算只求解单相湍流k-ε模型，第二部计算求解稀物质传递模型，但在求解因变量值中以第一步计算的解作为第二步的研究计算的方法。

8.根据权利要求1所述的一种基于naclo消毒机理的清水池cfd仿真的建立方法的应用，其特征在于：对模拟结果进行后处理，在结果模块中添加可视化三维绘图组，在三维绘图组之下添加二维截面，分别定义清水池的液相流场和有效氯浓度场界面信息，从而生成液相流速分布云图和有效氯浓度分布云图。

技术总结本发明提供了一种基于NaClO消毒机理的清水池CFD仿真的建立方法，包括以下步骤：S1：根据实际运行的某自来水厂的清水池设计施工图，对清水池进行几何结构数据分析；S2：采用Comsol Multiphycis专业CFD软件建立清水池的几何结构模型；S3：采用单相湍流k‑ε数学模型模拟清水池的流态，并设置单相湍流k‑ε数学模型下的特征参数；S4：采用稀物质传递物理场搭建NaClO消毒反应机理模型，并设置其相应的特征参数；S5：对所建立的清水池模型进行网格划分；S6：模拟计算清水池模型，并对结果进行后处理。本发明与现有的技术相比的优点在于：本发明解决目前自来水厂中清水池氯消毒难以控制的问题。技术研发人员：施宇震,赵仙,黄斌,董军受保护的技术使用者：昆明理工大学技术研发日：技术公布日：2024/9/29